金属件的单源疲劳断裂案例分析

一、  概述

送检样品从外观看，属于组合型的轴承类的零件，断裂发生在外圈的轴套上，且已经严重变形。断裂的外圈轴套见图1，内圈轴瓦见图2。

 

图1    断裂的外圈形貌 

图2    内圈的形貌

二、  宏观分析

对断裂的外圈试样各个部位进行了编号，见图3，各部位对应的内壁形貌见图4~7。内壁形貌显示内壁有严重的擦伤磨损痕迹，且擦伤磨损痕迹非常不均匀，局部磨损痕迹已经氧化变黄，在断口位置磨损痕迹已经氧化发黑。断裂源位置位于图8中虚线白圈的位置。对应的位置侧面是严重的磨损及氧化发黑区域，见图10。

 

图3    对外圈的位置编号示意图

图4    1~3位置的内壁形貌 

图5    4~5位置的内壁形貌 

图6    5~6位置的内壁形貌 

图7    6~7位置的内壁形貌

图8    7位置断口形貌 

图9    7位置内壁的擦伤磨损痕迹

图10    7位置断裂源位置与擦伤磨损痕迹的对应关系

在体视显微镜下进行断裂源观察，断裂源位于图12和13中箭头所示部位。图14显示的是外圈内壁边部的金属条损伤掉落的形貌。

 

图11    体视显微镜下的断裂源

图12    体视显微镜下的断裂源 

 

图13    断裂源对应的内壁形貌

图14    2位置边部金属条损伤形貌

 

三、  扫描电镜分析

图15是断裂源位置的形貌，图16是断裂源区严重氧化腐蚀后断续状的疲劳纹形貌，图17是断裂源区较为清晰的疲劳纹形貌。图18为扩展区的解理断口形貌，图19为终断区的变形撕裂的解理断口，并可见解理刻面间有撕裂裂纹。

 

图15   断裂源区的形貌 

图16    断裂源区断续状的疲劳纹

 

图17   疲劳源区清晰的疲劳纹

图18    断裂扩展区的解理断口形貌

 

图19    终断区撕裂变形的解理断口及其间的撕裂裂纹

将试样倾斜后，暴露出断裂源见图20，图21和22为局部放大，图21显示断裂源位于内壁边部凸起的金属条和内壁的交界位置，该位置正好有一明显的金属剥落形成的小坑，图22显示内壁侧的坑有严重的氧化污染，图23和24显示断裂源附近的内壁侧有密集的金属剥落形成的小坑，坑内已经出现多条裂纹。

 

图20   试样倾斜后暴露出来的断裂源形貌 

图21   断裂源的放大

 

图22    断裂源的进一步放大 

 

图23   断裂源附近内壁侧金属剥落产生的坑 

 图24    图23的局部放大

四、  结论

（1）断裂属于单源疲劳断裂。

（2）断口分析可以得出的断口的形成有两个原因：

第一，外圈轴套的内壁磨损不均匀，且有不同程度的氧化，说明外圈轴套与轴瓦的安装存在较大偏差，且运行过程中润滑不良，断裂源即位于磨损较大且氧化发黑的1和7位置的交界区域。

第二，结构设计上存在不足，外圈内壁的边部有一条凸起的金属条，金属条与外圈内壁过度圆角不足，导致该部位有严重的应力集中。在2位置，已经出现了金属条掉落，1和7位置的断裂源也位于这个部位。

（3）需要进一步完善材质、性能、组织等分析工作，确定断裂否是与材质不符合、轴瓦匹配不足等原因相关。